Занимательная квантовая физика

2 «Занимательная квантовая физика»: ISBN 978-5-17-106778-6 Аннотация Книга известного советского физика Матвея Бронштейна «Занимательная квантовая физика» познакомит читателя с миром крошечных, невидимых для простого глаза частиц – атомов и электронов. А также расскажет об ученых: Вильгельме Рентгене, Анри Беккереле, Пьере и Марии Кюри и многих других, обнаруживших и изучавших природу излучения. Как Дмитрий Менделеев предсказывал свойства еще не открытых элементов? Для чего раньше использовали радий? Что такое альфа-частицы? Почему на некоторых минералах геологи обнаруживают странные ореолы? Обо всем этом читатель узнает из книги. Для среднего школьного возраста. Матвей Петрович Бронштейн Занимательная квантовая физика © Родин В.Н., ил., 2020 © Терехова И.Л., ил., 2020 © ООО «Издательство АСТ», 2020 Глава первая Загадка радиоактивности В этой книжке вы найдете рассказы о проницательных сыщиках, разгадывающих самые головоломные загадки, самые непонятные тайны на свете. Нo только не думайте, что эта книжка будет похожа на другие книжки о сыщиках – на книжки об отважном Нате Пинкертоне или о хладнокровном Шерлоке Холмсе, о которых вы с таким увлечением

3 читали в детстве. Сыщики, которых вы встретите здесь, очень мало напоминают обычных героев детективных книжек. Они не служат в полиции, не преследуют по пятам знаменитых преступников, не носят револьвера в кармане и полицейского значка под отворотом пиджака. Возможно, что они даже удивились бы, если бы узнали, что их называют сыщиками. Они – ученые люди, по целым дням сидящие в лабораториях, склоняясь над своими приборами, фотографическими снимками, листами с вычислениями. Да и тайны им приходится раскрывать не такие, как Шерлоку Холмсу или Нату Пинкертону. В этой книжке не будет ни загадочных пятен крови на измятой траве, говорящих о нераскрытом убийстве, не будет таинственных подземелий, адских машин, поддельных банковских чеков. Тайны, с которыми имеют дело герои нашей книжки, совсем не такие: это тайны невидимых маленьких частиц, из которых построено все на свете: вода, воздух, лед, железо, дерево, да и мы сами, – это тайны электричества, тайны лучей света, тайны далеких мерцающих звезд. Многие из этих тайн еще и до сих пор не разгаданы; другие разгаданы уже давно, третьи – совсем недавно. Для того чтобы разгадать эти тайны, нашим сыщикам понадобилось еще больше проницательности, остроумия, упрямства, настойчивости и мужества, чем понадобилось бы самому Шерлоку Холмсу для того, чтобы раскрыть самое загадочное преступление на свете. Как и всякая другая книжка о сыщиках, наша книжка начинается с головоломной загадки, которую нашим сыщикам предстояло разгадать. Дело было зимой, в самом начале 1896 года. Эта зима была одной из самых замечательных зим в истории: в течение этой зимы немецкий профессор Рентген сделал поразительное открытие, навеки обессмертившее его имя, – открытие лучей, которые теперь всем известны под названием рентгеновских. Сейчас уже все привыкли к этим лучам, которые свободно проходят через дерево, через человеческое тело, через тонкие металлические листики, – все мы много слышали о рентгеновских лучах и давно перестали им удивляться, – но представьте себе, как удивились люди, слышавшие об этом открытии в первый раз!

4 Аппарат Вильгельма Рентгена Среди людей, которых восхитило и поразило до глубины души великое открытие Рентгена, был и тот, с приключений которого начинается наша книжка. Он был профессором химии в Париже. Звали его Анри Беккерель. 20 января 1896 года – день, когда начинается история, которую мы хотим рассказать, – Анри Беккерель отправился, по своему обыкновению, на собрание Парижской Академии наук. Собрание должно было быть очень интересное: все знали, что один из академиков – знаменитый математик Пуанкаре – получил от самого Рентгена подробное письмо о только что открытых лучах. К письму Рентген приложил фотографические снимки: это были первые фотографии, сделанные не обыкновенными видимыми лучами света, а рентгеновскими лучами. В повестке, которая была заранее разослана всем парижским ученым, было напечатано, что на этом собрании Пуанкаре прочитает вслух полученное им письмо и покажет фотографии. Задолго до начала заседания огромный зал Парижской Академии наук был переполнен. Сюда пришли не только профессора, но и студенты многочисленных высших школ города Парижа, пришли с неизменными своими блокнотами и маленькими фотографическими аппаратами корреспонденты всех газет, чтобы в тот же день поместить в вечерних выпусках сенсационные отчеты о заседании Академии и о письме знаменитого Рентгена, пришла и просто любопытствующая публика – «публика с улицы», как ее презрительно называли студенты и профессора. Когда в наступившей тишине Пуанкаре начал громко читать по-немецки полученное им письмо, все присутствующие приложили к уху ладони, чтобы получше расслышать (а особенно внимательный вид был у тех, которые ни слова не понимали по-немецки, но ни за что не хотели в этом признаться). Но вот чтение окончилось и среди известных парижских ученых, сидевших в первых рядах кресел, началось публичное обсуждение письма Рентгена. В этом обсуждении принял участие и Беккерель. Его очень заинтересовал вопрос о том, из какого именно места рентгеновской трубки выходят открытые Рентгеном лучи. А нужно сказать, что эта трубка была не такая, как те усовершенствованные рентгеновские трубки,

5 которые употребляются теперь. В теперешних трубках то место, из которого во все стороны расходятся рентгеновские лучи, – это массивный кусок тугоплавкого металла. А в первой трубке, которую построил Рентген, лучи расходились от одного местечка на стекле трубки. Когда трубка работала, на ее стеклянной стенке появлялось маленькое светящееся пятнышко. Оно светилось холодным зеленовато-желтым светом, и как раз от него во все стороны расходились рентгеновские лучи. Сами рентгеновские лучи невидимы глазу, но зелено-желтое свечение на стекле трубки, конечно, видимо, и, значит, одно и то же местечко на стекле трубки испускает и видимые глазу лучи зеленовато-желтого света, и невидимые рентгеновские лучи. Вот это-то холодное зелено-желтое свечение на стеклянной стенке трубки, о котором говорил в своем письме Рентген, страшно поразило Беккереля – он даже прервал чтение Пуанкаре и попросил его снова перечесть поразившее его место письма. И Беккерелю пришла в голову неожиданная мысль: а что, если свечение стекла рентгеновской трубки как раз и есть настоящая причина испускания рентгеновских лучей? Эта мысль взволновала Беккереля. Холодное зеленовато-желтое свечение, испускаемое стеклянной стенкой трубки, о котором говорилось в письме Рентгена, напомнило Беккерелю другой, хорошо ему знакомый свет – свет, испускаемый «флюоресцирующими» веществами. Флюоресцирующие вещества – вот что было любимой научной специальностью Анри Беккереля, постоянным предметом его мыслей, разговоров и даже ночных снов, что же это за такие вещества, изучению которых Беккерель посвятил несколько десятков лет своей жизни? Более поздний рентгеновский аппарат Флюоресцирующие вещества – это такие, которые в темноте не светятся, но стоит только поставить их на яркий солнечный свет, как они начинают светиться. Существует, например, такой минерал флюорит (его еще иначе называет плавиковым шпатом); сам по себе он не светится, но, как только на него попадут яркие солнечные лучи, он тотчас же начинает испускать синевато-фиолетовый свет. Флюорит – это одно из самых известных

6 флюоресцирующих веществ; даже самое слово «флюоресцировать» происходит от слова «флюорит»: оно, собственно говоря, означает «вести себя как флюорит». Многие другие вещества тоже сильно флюоресцируют: например, раствор сернокислого хинина, выставленный на солнце, светится голубыми лучами, раствор хлорофилла – красными. Флюоресцирует даже и обыкновенный керосин, хотя довольно слабо: если бутылку с керосином поставить на солнце, то она начинает испускать слабенькое синее сияние. Антуан Анри Беккерель Обо всех этих веществах вспомнил Анри Беккерель, как только услышал о зеленовато-желтом свете, похожем на свет флюоресцирующих веществ (так и писал Рентген в своем письме), которым сопровождается испускание рентгеновских лучей. «Как знать, – подумал Беккерель, – может быть, флюоресценция и рентгеновские лучи всегда неразлучны; может быть, не только стекло рентгеновской трубки, флюоресцируя, испускает рентгеновские лучи, но и плавиковый шпат, и сернокислый хинин, и хлорофилл, и даже самый обыкновенный керосин, который торговцы развозят в своих тележках по парижским улицам и продают домашним хозяйкам, – может быть, даже и этот керосин испускает рентгеновские лучи в то время, как флюоресцирует на солнечном свету». Вот какая мысль запала в голову Беккереля, и он в волнении ушел домой, решив поскорее приступить к опытам, чтобы проверить свою догадку.

7 Флюорит Несколько дней размышлял Беккерель о том, какой бы сделать опыт, чтобы узнать, действительно ли флюоресцирующие вещества испускают и рентгеновские лучи в то самое время, пока они светятся. В конце концов Беккерель придумал вот что: он возьмет фотографическую пластинку, завернет ее в черную бумагу для того, чтобы ни один солнечный луч не мог упасть на эту пластинку, положит сверху кусок какого-нибудь флюоресцирующего вещества, а затем выставит все это на солнце. Если верно, что флюоресцирующее вещество, освещенное солнцем, не только светится видимым светом, но и испускает невидимые глазу рентгеновские лучи, то эти лучи пройдут через черную бумагу и отпечатаются на фотографической пластинке. Если же рентгеновских лучей нет, то ничего на пластинке не отпечатается – ведь от всех видимых лучей она прекрасно защищена оберткой из черной бумаги. Надо сказать, что за много лет своей работы над флюоресцирующими веществами Анри Беккерель собрал огромнейшую коллекцию этих веществ: нигде в мире, ни в одном музее не было такой. Долго стоял Беккерель перед своим шкафом с флюоресцирующими веществами, желая выбрать такое, которое флюоресцировало бы посильнее. «Вероятно, – думал Беккерель, – чем сильнее вещество флюоресцирует, тем больше оно испускает рентгеновских лучей, а значит, мне будет тем легче и удобнее их обнаружить». Наконец, после долгих колебаний, он остановился на веществе, которое он когда-то – лет за пятнадцать перед этим – сам приготовил в своей химической лаборатории. Это вещество называлось «двойная сернокислая соль урана и калия». У Беккереля было несколько лепешек этого вещества с таким длинным названием. Все они прекрасно флюоресцировали: стоило только им попасть на солнце, как они начинали испускать яркое зеленое сияние. Беккерель положил лепешку с двойной сернокислой солью урана и калия на фотопластинку, завернутую в черную бумагу, и выставил все это на солнце. Через несколько часов он проявил и отфиксировал пластинку. К его радости, оказалось, что на пластинке действительно отпечаталось изображение лепешки. Выходило, что он был прав: флюоресцирующие вещества действительно испускают рентгеновские лучи. Беккерель был очень доволен собой: ведь столько лет никто (да и он сам) не замечал, что флюоресцирующие вещества испускают рентгеновские лучи, и вот теперь ему впервые посчастливилось это заметить. Но все-таки он не торопился напечатать в журнале Академии наук сообщение о своем открытии. Как часто бывает, что самое несомненное, казалось бы, открытие потом оказывается просто ошибкой! Поэтому Беккерель решил повторить свой опыт еще раз, и еще раз, пока, наконец, он не убедится, что все это действительно так и что

8 никакой ошибки быть не может. Он взял несколько еще нетронутых фотопластинок, завернул их в черную бумагу и стал их выставлять на солнце, положив на каждую из них кусочек флюоресцирующего вещества. Такие опыты он делал довольно долго – несколько недель, как вдруг случилось странное происшествие, которое показало Беккерелю, что дело не так просто, как ему казалось раньше. Произошло вот что: пока Беккерель трудился в своей лаборатории, придумывая все новые и новые опыты для изучения тех рентгеновских лучей, которые испускает флюоресцирующая лепешка двойной сернокислой соли урана и калия, наступили пасмурные дни. Напрасно Беккерель выносил на балкон свои фотографические пластинки с лепешками сернокислой соли, – солнце было закрыто тучами, и лепешки упорно не хотели флюоресцировать. Пришлось Беккерелю прекратить свои опыты, запереть все свои пластинки и лепешки в ящик стола и ждать солнечных дней. 1 марта 1896 года Беккерель (от скуки или от нечего делать) вздумал проявить одну из таких фотопластинок, положенных им в ящик письменного стола. Эту фотопластинку он пробовал за несколько дней перед этим – 26 февраля – выставить на солнце вместе с лепешкой сернокислой соли; пластинка была, как всегда, завернута в черную бумагу, а между ней и лепешкой он еще положил маленький медный крестик для того, чтобы узнать, смогут ли рентгеновские лучи, испускаемые лепешкой, пройти не только через черную бумагу, но и через слой меди. Солнце показывалось из-за туч очень редко, а потому Беккерель очень скоро убрал свою пластинку в ящик вместе с лежащим на ней крестиком и лепешкой. Когда через несколько дней, 1 марта, Беккерель вздумал проявить эту пластинку, он ожидал, что изображение лепешки, которое отпечатается на пластинке, будет очень слабенькое: ведь солнце появлялось на короткое время, и лепешка флюоресцировала очень недолго. Но когда пластинка была проявлена и Беккерель на нее взглянул, он едва от удивления не выронил ее из рук: на пластинке отпечаталось резкое темное изображение

9 лепешки – такое резкое, какое никогда не получалось в прежних опытах Беккереля, в которых лепешка ярко флюоресцировала в течение нескольких часов. А на фоне темного изображения лепешки выделялось светлое изображение креста: лучи, испускаемые лепешкой, не смогли пройти сквозь медь креста, как прошли через черную бумагу, и поэтому под крестом пластинка осталась такой, какой была, – незачерненной. Удивление Беккереля было безгранично. Ведь, лежа в темном ящике стола, лепешка не могла флюоресцировать, как она флюоресцирует на солнечном свету, а между тем изображение на фотопластинке получилось резкое и отчетливое, как будто бы невидимые лучи, проходящие через черную бумагу, действовали на пластинку очень долго. Выходило, что лепешка продолжала и в темноте посылать свои невидимые глазу лучи, действующие на фотографическую пластинку. Зачем же было тогда выставлять лепешку на солнце, когда даже в темноте она испускает те же самые лучи? Лепешка двойной сернокислой соли урана и калия – и на солнце, когда она ярко флюоресцирует, и в темноте, когда она не светится вовсе, – одинаково испускает какие-то невидимые глазу лучи, похожие на лучи Рентгена. Вот какой неожиданный для себя вывод должен был сделать Анри Беккерель в этот пасмурный день 1 марта 1896 года. Его первоначальная догадка о том, что флюоресценция неразлучно связана с испусканием рентгеновских лучей, все-таки в конце концов оказалась неверной. Но вместе с тем Беккерель увидел, что двойная сернокислая соль урана и калия обладает каким-то загадочным свойством, о котором до тех пор никто не подозревал. И вот Беккерель принимается за новую работу: он должен исследовать открытое им свойство двойной сернокислой соли урана и калия, найти, с чем это свойство связано, какие особенности двойной сернокислой соли урана и калия делают ее способной испускать невидимые глазу лучи. И Беккерель роется в своей коллекции флюоресцирующих веществ, берет оттуда одно вещество за другим и делает с каждым таким веществом опыт: не испускает ли и оно такие же лучи, какие испускает двойная сернокислая соль урана и калия? Несколько недель напряженной работы, и Беккерель приходит к следующему заключению: из всех флюоресцирующих веществ, взятых им для опыта, только те испускают невидимые глазу лучи, в состав которых входит уран (уран – это металл, который вместе с другим металлом – калием – входит в состав двойной сернокислой соли урана и калия). Флюоресцирующие вещества, в которых нет урана, не испускают никаких невидимых глазу лучей, – держать ли их на солнце или в темном шкафу, – а те флюоресцирующие вещества, в которых содержится уран, всегда испускают невидимые лучи, заставляющие фотографическую пластинку чернеть, – даже если она завернута в плотную бумагу. И они испускают эти невидимые лучи и днем и ночью, совершенно независимо от того, освещены ли они и светятся ли они или нет. Оставалось сделать еще последний шаг – взять какое-нибудь вещество, которое содержит в себе уран, но никогда не флюоресцирует, и посмотреть, будет ли оно испускать невидимые лучи. Уран – довольно редкий и дорогой металл, но все же в лаборатории Беккереля нашлась щепотка чистого урана в виде порошка, и еще несколько кусочков урана ему на время дали знакомые химики.

10 Сам уран никогда не флюоресцирует, сколько бы его ни освещали солнечные лучи. Но когда Беккерель положил кусочек урана на фотографическую пластинку, завернутую в черную бумагу, то пластинка, проявленная через несколько часов, почернела от действия невидимых лучей, которые испускал уран. Значит, эти таинственные лучи, которые открыл Беккерель и которые так похожи на лучи, открытые Рентгеном, не имеют ровно ничего общего с флюоресценцией. Сам металл уран обладает чудесным свойством испускать эти лучи; он испускает их и когда находится в чистом виде, и когда соединен с какими-нибудь другими веществами (например, в двойной сернокислой соли урана и калия, где уран соединен с калием, серой и кислородом). Уран испускает эти лучи совершенно независимо от того, освещает ли его в это время солнце или нет. Испускание лучей зависит только от количества самого урана – чем больше урана, тем больше и лучей – и ни от чего другого не зависит. Когда Беккерель, слушая чтение письма Рентгена, вообразил, что испускание рентгеновских лучей связано с флюоресценцией, то в этой мысли не было ничего верного. И если бы он взял для своего опыта не флюоресцирующую сернокислую соль, содержащую в себе уран, а плавиковый шпат или раствор хлорофилла, то из его опытов решительно ничего не вышло бы. Но по счастливой случайности Беккерель выбрал из всей своей огромной коллекции именно сернокислую соль урана и калия, и это помогло ему открыть удивительное свойство урана: способность без всякой видимой причины испускать лучи, похожие на лучи Рентгена.

11 Электрометр Отличаются ли лучи, открытые Беккерелем, чем-нибудь существенным от лучей Рентгена – этого и сам Беккерель в первое время не мог решить. Лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, невидимы глазу, проходят через бумагу, дерево, тонкие слои металла, чернят фотографическую пластинку. Очень скоро Беккерель открыл еще одно замечательное свойство лучей, испускаемых ураном (и каждым веществом, содержащим в себе уран), – способность действовать на заряженный электрометр. Электрометр – это такой прибор, в котором свисают рядом два тоненьких золотых листочка. Стоит только хоть немножко зарядить электрометр электричеством, как листочки сейчас же начнут отталкиваться друг от друга и немедленно разойдутся врозь на некоторый угол. В таком положении они и останутся, пока с них не стечет электрический заряд. Обыкновенно электрический заряд стекает очень медленно, и проходит много часов или даже много дней перед тем, как листочки снова сойдутся. Но Беккерель сделал следующий опыт: он положил в коробку электрометра, под самые листочки, свою лепешку урановой соли, и листочки стали спадать заметно быстрее, а через полтора часа и вовсе сошлись. Сделав несколько опытов, Беккерель увидел, что испускаемые ураном лучи делают воздух способным проводить электричество; поэтому с листочков электрометра заряд утекает через воздух, и листочки спадают. Когда Беккерель напечатал подробное описание своих опытов, все физики и химики во всем мире всполошились. Лучи Беккереля произвели такую же сенсацию, какую за несколько месяцев перед тем произвели лучи Рентгена. Во всех физических лабораториях только и было разговоров, что о таинственных лучах Беккереля. Огромное впечатление произвели эти разговоры о лучах Беккереля на одну молодую польку, жившую в Париже, – Марию Склодовскую-Кюри. Склодовская-Кюри, которая в то время еще была начинающим и никому не известным физиком, решила расследовать, один ли только уран испускает лучи Беккереля или же есть и еще какие-нибудь другие вещества, испускающие такие же самые лучи. Для того чтобы узнать, испускает ли какое-нибудь вещество лучи Беккереля или нет, не нужно брать фотографическую пластинку, подумала Мария Кюри: с фотографической пластинкой много возни, и работа подвигается очень медленно. Проще всего взять электрометр, как это делал и Беккерель: если по мере приближения к исследуемому веществу листочки заряженного электрометра будут спадать,

12 значит, это вещество испускает лучи Беккереля, а если нет, то, значит, никаких лучей Беккереля оно не испускает. Мария Кюри (Склодовская) Вооружившись своим электрометром, Мария Кюри исследовала множество разных веществ – всевозможные минералы, горные породы, газы, растворы – вообще все, что ей удалось достать. И только в апреле 1898 года она, наконец, наткнулась на одно вещество, которое испускало лучи Беккереля, как и уран. Этим веществом оказался металл торий – довольно редкий металл, который еще в 1829 году был открыт знаменитым шведским химиком Берцелиусом. Не только чистый торий испускал лучи Беккереля, но и все соединения тория с другими веществами. Как и в случае урана, здесь выполнялось такое же правило: чем больше тория, тем сильнее лучи; ни от чего другого испускание лучей Беккереля не зависело. Когда Мария Кюри увидела, что уран не единственное чистое вещество, испускающее лучи Беккереля, но что таким же свойством обладает и торий, она сочла нужным придумать для этого свойства особое название – она назвала его радиоактивностью (от латинского слова «радиус» – луч; радиоактивность – способность испускать лучи). Уран и торий – это радиоактивные вещества, – так назвала их Мария Кюри, – и все их соединения с другими веществами тоже радиоактивны. Продолжая свою работу с радиоактивными веществами, Мария Кюри в том же 1898 году сделала неожиданное открытие, которое поставило ее на короткое время в тупик. У нее было несколько образцов урановой смоляной обманки – руды, из которой добывается чистый металл уран. Эти образцы руды были выкопаны из земли в рудниках около чешского городка Иоахимсталь. Когда Мария Кюри начала исследовать электрометром эти куски руды, то обнаружилась непонятная вещь: если взять два препарата, содержащие в себе одинаковое количество урана, – но только один в виде химически чистого урана, а другой в виде куска руды из Иоахимсталя – и поднести и к тому, и к другому одинаково заряженный электрометр, то оказывается, что в присутствии иоахимстальской руды листочки электрометра спадают в несколько раз быстрее, чем в присутствии химически чистого урана. Значит, иоахимстальская руда испускает гораздо больше лучей Беккереля, чем препарат, содержащий такое же количество химически чистого урана. Это казалось очень странным, потому что количество лучей Беккереля, испускаемых тем или иным препаратом урана, должно было бы, казалось, зависеть только от количества урана и ни от чего больше. Когда

13 Мария Кюри получила в своей лаборатории этот странный результат, она рассказала о нем своему мужу, известному французскому физику Пьеру Кюри. Пьер и Мария Кюри стали вместе думать о том, какая могла бы быть причина того, что иоахимстальская урановая руда в несколько раз более радиоактивна, чем химически чистый уран и его соединения. Подумав, они сообразили, что, вероятно, в иоахимстальской руде есть, кроме урана, еще какое-то другое радиоактивное вещество, испускающее лучи Беккереля; присутствие этого другого вещества, которого нет в химических препаратах урана, – это и есть причина большей радиоактивности чешской руды по сравнению с чистым ураном. Что же это за вещество, подмешанное к иоахимстальской руде и дающее столько лучей Беккереля? Ясно, прежде всего, что этого вещества там очень мало, иначе его давно заметили бы инженеры-химики, изучавшие химический состав урановой руды. А раз его там так мало и, несмотря на это, оно дает так много лучей Беккереля, значит, это должно быть какое-то еще неведомое химикам вещество, во много раз более радиоактивное, чем уран или торий. В иоахимстальской урановой руде спрятано неизвестное новое вещество, отличающееся огромной способностью испускать лучи Беккереля. *** Вот к какому заключению пришли Пьер и Мария Кюри, и сразу же перед ними встала заманчивая задача – извлечь из иоахимстальской руды это таинственное новое вещество, которого там так мало, что обыкновенными химическими способами никому не удалось его там обнаружить: ведь только электрометр, указавший на повышенную (по сравнению с чистым ураном) радиоактивность иоахимстальской руды, заставил это неизвестное радиоактивное вещество выдать свое присутствие. С этого момента (с апреля 1898 года) Пьер и Мария Кюри решаются посвятить себя этой задаче – извлечению нового радиоактивного вещества из иоахимстальской руды. Пьер Кюри приостановил все другие работы, которые он вел в своей лаборатории, и присоединился к работе Марии Кюри. Первым делом нужно было получить для обработки большое количество материала, содержащего в себе это неизвестное вещество. Сама урановая руда очень дорога, и поэтому Пьер и Мария Кюри отказались от мысли получить ее в чистом виде. Но урановая руда дорога только потому, что в ней есть уран, а ведь Пьеру и Марии Кюри сам уран был не нужен, и поэтому они охотно согласились получить не уран, а то, что остается от урановой руды после того, как из нее уже извлечен уран: этот остаток и должен был, по мнению Кюри, содержать в себе таинственное новое вещество. В Иоахимстале, на заводах, где перерабатывают добытую в рудниках урановую смоляную руду, делают так: руду сперва растирают в порошок, затем размешивают с содой и тщательно промывают горячей водой, к которой подмешано немного серной кислоты. При этом соли растворяются в воде, и их затем уже добывают оттуда. Но при такой промывке порошка горячей водой не все растворяется в воде: осадок, в котором уже нет никакого урана, остается, и его просто выбрасывают (или, лучше сказать, выбрасывали в те времена, потому что теперь, после того, как Пьер и Мария Кюри научили химиков добывать из этого осадка новые радиоактивные вещества, он ценится еще больше, чем чистый уран, а тогда он считался просто никому не нужным отбросом). Вот этот-то осадок Пьер и Мария Кюри и захотели исследовать; по их мнению, в нем должно было содержаться неизвестное вещество, которому иоахимстальская руда обязана своей повышенной радиоактивностью. Добыть это вещество из осадка было очень заманчиво: если даже ничтожная примесь этого вещества дает так много лучей Беккереля, то сколько же лучей даст само вещество, если удастся его добыть в достаточно большом количестве! Ясно, что для этого понадобится переработать в лаборатории много пудов осадка, остающегося после удаления урана из смоляной руды. Все это должно было потребовать от Пьера и Марии Кюри огромной работы, но их это не устрашило. У них не было денег, но, к счастью, удалось убедить известного миллионера барона Ротшильда пожертвовать несколько тысяч франков на устройство новой

14 лаборатории; кроме того, австрийское правительство (Чехия тогда принадлежала Австрии, и иоахимстальские рудники были собственностью правительства) согласилось подарить настойчивым французским физикам целых два вагона отбросов, остающихся от урановой руды после добычи из нее урана. Все это было привезено в Париж и свалено в лаборатории, которую устроили себе супруги Кюри. Сама «лаборатория» – правду сказать – имела не очень внушительный вид: это был большой сарай на улице Ломон, неудобный и сырой, в котором было лишь самое необходимое; приборов было очень мало, вентиляции почти никакой, так что многие химические реакции, при которых выделяются вредные газы, приходилось производить на дворе. Но сколько чудесных часов провели в том сарае Пьер и Мария Кюри, увлеченные поисками нового радиоактивного вещества! Трудная задача предстояла Пьеру и Марии Кюри – потруднее, чем отыскать иголку в стоге сена. Здесь не удастся пересказать все те сложные и хитроумные химические способы, которые они придумывали и применяли по разделению исследуемого материала на составные части. К каждой такой составной части они подносили заряженный электрометр, чтобы узнать, испускает ли он лучи Беккереля или нет. Если нет, то они ее выбрасывали, а если да, то ее предстояло снова разделить на составные части, снова исследовать их при помощи электрометра, и так далее, и так далее, пока, наконец, таинственное вещество, за которым они так охотились, не будет выделено в чистом виде.

15 Очень скоро Пьер и Мария Кюри установили, что неизвестных радиоактивных веществ в исследуемом ими материале не одно, а два. Одно из них по своим химическим свойствам должно было быть похоже на висмут, потому что во всех химических реакциях, куда шел висмут, туда шло и это вещество, присутствие которого было заметно по действию его лучей Беккереля на заряженный электрометр. Другое же вещество по своим химическим свойствам напоминало металл барий, потому что оно повсюду следовало за барием. Уже 18 июля 1898 года Пьер и Мария Кюри могли добыть из иоахимстальской руды химический препарат с заметной примесью первого из этих двух веществ (похожего на висмут). Этому веществу они дали название «полоний» (в честь Польши – родины Марии Кюри). Полученный ими препарат полония был во много раз активнее, чем самый чистый уран. А через несколько месяцев, 26 декабря 1898 года, они послали в Академию новое сообщение: они добыли из той же руды другой препарат, в котором содержалось второе неизвестное вещество (похожее на барий). Препарат испускал лучи Беккереля в 900 раз сильнее, чем такое же количество чистого урана. Значит, в этом препарате должно было быть какое-то вещество, в огромное число раз более радиоактивное, чем уран. Добыть это вещество по возможности в большом количестве в чистом (или по крайне мере в сильно сконцентрированном) виде – вот что стало целью жизни Пьера и Марии Кюри. Для достижения этой цели они отказались от всего на свете, просиживали в лаборатории дни и ночи за кропотливыми химическими анализами, стараясь найти способ отделить неизвестное вещество от бария, за которым оно следовало по пятам во всех химических превращениях. Нужно было как-нибудь окрестить это неизвестное вещество, за которым они охотились, и они назвали его радием, т. е. «лучистым веществом», в честь тех мощных потоков лучей Беккереля, которые это вещество будет испускать, когда удастся сконцентрировать его в заметном количестве. В 1902 году, через четыре года после начала работы Пьер и Мария Кюри получили первые несколько дециграммов чистого хлористого радия, т. е. соединения радия с хлором (на каждый грамм хлористого радия приходится 0,76 г радия и 0,24 г хлора). Несколько маленьких белых кристалликов в форме острых иголочек – вот что получили Пьер и Мария Кюри после четырех лет работы, вот что они добыли из огромной груды переработанного ими иоахимстальского осадка. Но этот хлористый радий был в миллион раз радиоактивнее, чем такое же количество чистого урана, и этим Пьер и Мария Кюри были вознаграждены за огромную проделанную ими работу.

16 Заметим, что обыкновенно, когда добывают радий, ограничиваются тем, что получают его не в абсолютно чистом виде, а в виде его соединения с хлором или бромом. Впрочем, Мария Кюри в 1910 году получила радий и в чистом виде, пропуская через расплавленный хлористый радий сильный электрический ток: это тот же самый, известный всем еще из школьных учебников, способ электролиза, которым можно разложить на хлор и натрий расплавленный или растворенный в воде хлористый натрий (поваренную соль). Выделенный в чистом виде радий оказался, как и следовало ожидать, блестящим белым металлом, похожим на барий или кальций, с которыми у него есть химическое сходство. Пьер Кюри не дожил до того дня, когда радий был выделен в совершенно чистом виде: нелепый случай лишил его жизни – 19 апреля 1906 года он погиб под колесами телеги на улице Дофин в Париже. В урановой смоляной руде радия очень мало: необходимо переработать много тонн руды, чтобы получить всего лишь один грамм радия. Но чудесные радиоактивные свойства радия, испускающего в миллион раз больше лучей Беккереля, чем чистый уран, оправдывают всю ту грандиозную работу, которую пришлось проделать супругам Кюри для извлечения радия из руды. В течение четырех лет, протекших от начала работы до получения первых кристалликов хлористого радия, каждый год получались все более и более концентрированные порции радиевых препаратов, и каждый год приносил новые неожиданные открытия. Уже в самом начале работы, когда Пьер и Мария Кюри получили препарат радия, в 900 раз превосходящий своей активностью уран (в декабре 1898 года), было замечено, что лучи Беккереля, как и лучи Рентгена, не только чернят фотографическую пластинку и ускоряют спадание листочков заряженного электрометра, но и заставляют ярко светиться в темноте экран, покрытый слоем платиноцианистого бария или какого-нибудь другого флюоресцирующего вещества. Это свойство лучей Беккереля впоследствии даже получило некоторое практическое применение: сернистый цинк, к которому подмешано самое крохотное количество радиоактивного вещества, светится в темноте под влиянием лучей Беккереля, испускаемых частицами этого вещества, а поэтому таким сернистым цинком с примесью радиоактивного вещества иногда рисуют цифры на циферблате часов и обмазывают стрелки, чтобы можно было ночью взглянуть на часы, не зажигая спички. Во

17 время Первой мировой войны таким сернистым цинком обмазывали ружейные прицелы (чтобы ночью можно было прицеливаться в темноте), стрелки и буквы на магнитной буссоли и т. п.; это даже вызывало резкое повышение спроса и вздорожание радиоактивных веществ (о ценах радиоактивных веществ будет дальше рассказано подробнее). Фотографическое действие лучей Беккереля тоже становилось все интенсивнее и заметнее по мере того, как Пьер и Мария Кюри приготовляли препараты, все более и более богатые радием. Вскоре после начала работы были получены препараты столь активные, что уже не требовалось длительных экспозиций (по нескольку часов), чтобы получилось заметное почернение фотографической пластинки от действия лучей Беккереля: стоило только поднести препарат, содержащий радий, На несколько секунд к завернутой в бумагу фотографической пластинке, как пластинка заметно темнела. В прекрасной книжке «Радий и его разгадка», которую написал английский химик Фредерик Содди – один из Первых исследователей радиоактивности (о его работах будет подробно рассказано дальше), – описывается следующий опыт: берется стеклянная трубочка, в которую помещен препарат, содержащий в себе немножко радия, и этой трубочкой медленно водят, выписывая какое-нибудь слово, как карандашом, по фотографической пластинке, завернутой в черную бумагу, защищающую ее от всех видимых лучей света. После того, как пластинка проявлена, на ней оказывается написанным это слово: Radium.

18 Вот как быстро лучи Беккереля зачернили те места пластинки, к которым была поднесена трубочка с препаратом радия! В самых первых опытах над препаратами радия было замечено, что вещество, содержащее радий, всегда немножко теплее, чем все окружающие предметы. Пьер Кюри решил воспользоваться этим для того, чтобы измерить энергию лучей Беккереля, испускаемых радием. В самом деле, эти лучи Беккереля, которые чернят фотографическую пластинку, делают воздух проводником электричества, заставляют флюоресцирующий экран светиться, – должны же эти лучи Беккереля иметь какую-то энергию для того, чтобы делать все это! Пьер Кюри взял калориметр – прибор, в котором по количеству растаявшего в нем льда определяется, сколько выделилось в приборе тепла, – и поместил туда препарат pадия. Калориметр был взят такой, что все лучи Беккереля, которые испускал препарат, не могли выходить из прибора, все они, как говорят, «поглощались» в массе льда в толстых стенках калориметра. Взвесив растаявший лед и зная, сколько требуется тепла для того, чтобы расплавить это количество льда, Пьер Кюри сумел измерить количество теплоты, выделяемое препаратом радия. Оказалось, что каждый грамм радия в течение часа выделяет из себя 140 калорий энергии (калория – это та энергия, которая нужна, чтобы поднять

19 температуру одного грамма воды на один градус Цельсия). Энергия, отдаваемая радием, уходит с лучами Беккереля, но если эти лучи задержать, поглотить их, как было сделано в опыте Пьера Кюри с калориметром, то та же самая энергия выделяется в виде теплоты. 140 калорий в час! Эта энергия, выделяемая граммом радия, не очень велика: целых 50 часов должно пройти для того, чтобы грамм радия отдал столько же энергии, сколько отдает, сгорая, один грамм угля. Но зато грамм угля, сгорев, превратившись в углекислый газ, уже перестает отдавать энергию дальше, а грамм радия, отдав, хотя и очень медленно – в течение 50 часов – то же самое количество калорий, остается, по-видимому, таким же, каким он был, и продолжает испускать энергию тем же самым темпом. Калориметр Вот эта-то способность радия испускать, хотя и очень медленно, большие и казавшиеся совершенно неограниченными количества энергии должна была больше всего заинтересовать физиков: она и дала возможность говорить о загадке радия, о загадке радиоактивности, мучительной загадке, заставлявшей физиков 1900 года ломать себе голову над таинственными свойствами радия и его лучей. Что является причиной радиоактивных явлений? Что заставляет радиоактивные вещества испускать лучи Беккереля? Какова природа этих лучей, так похожих (на первый взгляд) на лучи Рентгена? Откуда радиоактивные вещества берут энергию, которую они затем отдают внешнему миру в форме энергии своих таинственных лучей? И действительно ли эта энергия неисчерпаема? Действительно ли кусочек радия представляет собой нечто вроде «перпетуум-мобиле» –

20 вечного двигателя, о котором так страстно мечтали когда-то изобретатели, – двигателя, который все время может отдавать миру энергию, хотя в нем самом ничего не сгорает, не травится, не портится, не изменяется? Или, может быть, радий совсем не является исключением в мире, где все подчинено закону сохранения энергии, и, может быть, запасы энергии, содержащиеся в радии, хотя и велики, но совсем не неисчерпаемы, и если через 50 часов в грамме радия еще не заметно никакого иссякания, увядания, упадка, то через много недель или даже только через много лет уменьшение запасов энергии в радии должно стать заметным? Вот какие вопросы волновали физиков, изучавших радий, вот какие вопросы составляют содержание загадки радиоактивности, о которой говорит название этой главы нашей книжки.

21 В дальнейших главах мы узнаем, как была разгадана загадка радия и к каким огромным по своему значению последствиям привела разгадка этой загадки, позволившая физикам необыкновенно глубоко заглянуть в самые сокровенные тайны окружающего нас мира. Но, перед тем как приступить к рассказу о разгадке тайны радия, нужно будет хотя бы вкратце рассказать о том, в каком состоянии находилась физика того времени, когда загадка радия была поставлена и привлекала к себе всеобщее внимание; нужно будет рассказать о том, что физики знали вообще об устройстве вещества, когда им пришлось заняться более узким и специальным вопросом об устройстве радиоактивного вещества. Этому мы посвятим две следующие главы. В этих главах мы расскажем все то, что уже могли знать физики, которым предстояло разгадывать загадку радиоактивности, – все, что физики знали об устройстве вещества до 1902 года (год, когда Пьер и Мария Кюри выделили хлористый радий) и в течение нескольких следующих лет. Но еще перед тем, как погрузиться в эти трудные и важные главы, мы расскажем еще об одном удивительном свойстве радия – свойстве, которое привлекло к нему внимание не только физиков, но и самой широкой публики и вызвало к жизни великое множество практически важных последствий.

22 3 апреля 1901 года Анри Беккерель зашел в лабораторию Пьера Кюри и попросил у него разрешения взять на время препарат радия (Анри Беккерель собирался в этот день прочитать студентам лекцию о радиоактивности, и препарат радия ему нужен был для того, чтобы показать слушателям несколько опытов). Пьер Кюри дал ему стеклянную трубочку, в которой было немного (меньше 1 г) добытого из иоахимстальской руды вещества с большой примесью радия. Трубочка была завернута в бумагу и положена в картонную коробку. Эту коробку Беккерель небрежно засунул в жилетный карман, и она пролежала в кармане около шести часов. Лучи Беккереля, испускавшиеся этим препаратом, были так сильны, что когда Беккерель в пальто вошел в темную комнату, в которой был экран с платиноцианистым барием, и подошел к экрану, экран начал очень сильно светиться: лучи свободно проходили сквозь пальто, и даже когда экран подносили к спине Беккереля прямо напротив жилетного кармана, где была трубочка с препаратом радия, экран слегка светился под действием лучей, прошедших насквозь через грудную клетку Анри Беккереля. Через 10 дней, 13 апреля, Беккерель обнаружил у себя на груди, как раз на том месте, где был жилетный карман, маленькое красное пятнышко. Боли не было никакой. Потом пятнышко начало расти, сделалось более темным, а через несколько дней оно приняло такую же форму и такие размеры, как стеклянная трубочка, в которой был радий. Еще через несколько дней Беккерель почувствовал сильную боль. Кожа растрескалась, образовалась язва, и Беккерель в ужасе обратился к врачу. Врач принялся лечить эту язву, как лечат обыкновенный ожог, и приблизительно через месяц язва закрылась и зарубцевалась. Но еще через два года после этого происшествия на груди Беккереля был виден отчетливый белый шрам в том месте, где раньше была эта ранка. Когда Пьер Кюри узнал о происшествии с Беккерелем, он принялся нарочно делать вот какие опыты: один раз он привязал к своей руке препарат радия на десять часов. Через некоторое

23 время у Кюри, как прежде у Беккереля, появилась краснота, началось воспаление, а через несколько дней открылась ранка. Она очень сильно болела и прошла только после четырех месяцев лечения; на коже, как и у Беккереля, остался глубокий белый шрам. Другой раз Пьер Кюри попробовал поносить в кармане крупинку радия полчаса; через 16 дней на коже образовался ожог, затем вскочил волдырь, который прошел только через две недели. Обо всем этом Пьер Кюри рассказал парижскому доктору Данло, работавшему в госпитале Сен-Луи. Доктор Данло сразу сообразил, что если радий так сильно действует на человеческую кожу, то это должно оказаться очень важным для медицины. Ведь все врачи очень хорошо знают, что действие лекарств сильно зависит от дозы: если какое-нибудь лекарство благотворно действует на больного, когда его применяют в маленькой дозе, то в большой дозе оно может оказаться сильным ядом, способным отправить на тот свет и здорового. Не окажутся ли лучи радия, которые так вредны в большой дозе, хорошим лекарством для кожи, если их применять в маленькой дозе? Доктор Данло очень осторожно попробовал действовать слабенькими порциями лучей радия сначала на животных, потом на людей. Оказалось, что в маленьких дозах лучи радия хорошо излечивают экзему, лишаи, волчанку и всякие другие болезни кожи. Опытами доктора Данло заинтересовались многие врачи и биологи, и с тех пор медицинские действия лучей радия были очень хорошо изучены в клиниках и в биологических лабораториях. Врачи скоро заметили, что сильные лучи радия, разрушая клетки и ткани человеческого тела, не на все клетки и не на все ткани действуют одинаково: те клетки, которые обладают способностью очень быстро размножаться, гораздо сильнее страдают от разрушительного действия лучей радия, чем медленно размножающиеся клетки. Это открытие оказалось очень важным, и вот почему: существует такая болезнь – рак; это очень мучительная болезнь, от которой погибает множество людей и которая прежде считалась совершенно неизлечимой. У больного раком образуется на коже или во внутренних органах, например в гортани, в желудке, раковая опухоль, очень быстро разрастающаяся и заражающая весь организм больного теми частицами, которые она рассылает во все органы его тела. Клетки, из которых состоит раковая опухоль, размножаются очень быстро: гораздо быстрее, чем те клетки, из которых состоят здоровые ткани. А так как лучи радия тем сильнее разрушают ткань, чем быстрее размножаются ее клетки, то вывод ясен: необходимо воздействовать на раковую опухоль, оставив окружающие здоровые ткани почти невредимыми. Такой способ лечения рака врачи стали применять уже через несколько лет после открытия радия, и этот способ давал прекрасные результаты. Лечение производится так: препарат радия помещают в золотой футляр и прикладывают к раковой опухоли. Если только болезнь не слишком запущена, т. е. если микроскопические кусочки опухоли еще не успели разнестись (по кровеносным и лимфатическим сосудам) по всему телу больного, то лечение обыкновенно очень хорошо удается. Плохо оно удается только в тех случаях, когда раковая опухоль растет очень глубоко внутри тела, например в желудке. Опухоль на коже уничтожается при достаточно энергичном лечении очень быстро – недели в две. Когда врачи стали лечить лучами радия разные болезни, то на радий сейчас же появился спрос. Все крупные больницы обязательно захотели иметь у себя хотя бы крупинку этого вещества для того, чтобы излечивать кожные болезни. Но радий доставать было очень трудно, немецкий физик Гизель вскоре после того, как Пьер и Мария Кюри открыли радий, достал из Иоахимсталя небольшое количество тех же остатков от переработки урановой смоляной руды, которыми пользовались супруги Кюри, и начал добывать из них радий, применяя те же самые способы. После этого он очень великодушно разослал весь добытый им радий всем физикам, которые занимались изучением лучей Беккереля и пробовали разгадать тайну радиоактивности. Австрийское правительство очень скоро сообразило, что отбросы от переработки урановой смоляной руды теперь будут цениться дороже самого урана, и просто-напросто запретило вывозить эти отбросы за границу. Это подняло цены на

24 радий до таких пределов, что даже те физики, которые больше всего сделали для открытия и добычи радия (Пьер и Мария Кюри, Гизель), потеряли всякую возможность его покупать. Когда через несколько лет после открытия радия английским физикам понадобилось крохотное количество радия для научной работы, они вынуждены были использовать очень сложную протекцию: обратились к принцу Уэльскому (наследнику английского престола), он воспользовался своими знакомствами и связями во дворе австрийского императора, чтобы получить разрешение вывезти из Австрии некоторое количество остатков от переработки урановой смоляной руды. В 1912 году Парижский университет совместно с знаменитым медицинским институтом Пастера организовал в Париже так называемый Институт радия. Этот институт открылся на улице, которая была названа именем Пьера Кюри, а мадам Кюри получила должность директора этого института, которую она сохранила до самой своей смерти (в 1934 году). В этом институте производятся важные физические исследования, относящиеся к свойствам радиоактивных веществ и их лучей, но, кроме того, еще и производится лечение больных. В 1918 году Мария Кюри подарила клинике своего института грамм радия, извлеченный ею и ее мужем из иоахимстальской руды и представлявший ее личную собственность. В то время, когда был сделан этот подарок, грамм радия стоил сто тысяч долларов (полтора миллиона франков). Практическое применение радия в медицине вызвало необходимость добывать заводским путем значительное количество радия. В 1914 году правительство Соединенных Штатов организовало завод для добычи радия так называемых карнотитовых руд, которые встречают в разных местах Соединенных Штатов и содержат в себе уран и радий. В 1921 году в местечке Кантага (бельгийские владения в Центральной Африке) были открыты богатые залежи урановой смоляной руды. Оказалось, что в этой руде есть довольно значительная примесь радия. Поэтому в 1923 году в местечке Оолен, вблизи бельгийского города Антверпен, был построен радиевый завод, куда привозили урановую смоляную руду, добытую в Катанге, и извлекали из нее радий. В течение месяца на этом заводе добывали четыре грамма радия. Способ добычи, в основном, такой же, как тот, который применяли Пьер и Мария Кюри в своих первых лабораториях на улице Ломон и на улице Кювье. Этот способ очень сложен; для интересующихся мы приводим цитату из «Курса общей химии» проф. Б. Н. Меншуткши (4-е издание, Ленинград, 1933): «Переработка урановой смолки в Оолен ведется так: действием серной и азотной кислот извлекают из руды соединения урана, затем после удаления кремнезема обрабатывают соляною кислотою и (после прибавления необходимого количества солей бария) полученные сернокислые соли бария и радия отфильтровывают и под давлением нагревают с раствором соды для перевода сернокислых солей бария и радия в углекислые; их растворяют в чистой соляной кислоте и снова осаждают раствором угленатриевой соли. Полученные чистые углекислые соли действием чистой же соляной кислоты переводят в хлористые барий и радий, готовят почти насыщенный при 100 °C раствор последних и охлаждают его; при дробной кристаллизации сперва осаждаете труднее растворимый хлористый радий, потом

25 уже хлористый барий. Поэтому отдельно собирают первые порции кристаллов и последующие. С маточным рассолом и этими кристаллами повторяют много раз такую перекристаллизацию, пока не получится хлористый барий со значительным содержанием хлористого радия. Тогда раствор их осаждают углекислой солью аммония, полученный осадок промывают, растворяют в бромоводородной кислоте и получают еще более различающиеся растворимостью в воде бромистые барий и радий. Их снова подвергают дробной перекристаллизации вплоть до получения чистого бромистого радия, который запаивают в стеклянные трубочки, помещенные в толстые свинцовые футляры, и сохраняют в отдаленном от жилья помещении».

26 Глава вторая. Атомы Физические явления, происходящие в окружающем нас мире, представляют бесконечную цепь загадок. Вода, охлаждаясь, превращается в твердый, бесцветный лед, нагреваясь же, становится невидимым водяным паром. Если ее слегка подкислить серной кислотой и пропускать через нее электрический ток, она постепенно превращается в два газа – водород и кислород. Стоит только смешать эти газы и поджечь их искрой, как они со взрывом снова превращаются в воду. Блестящее железо в сыром воздухе превращается в ржавчину. Горящий уголь становится углекислым газом. Подлинно, «природа находит удовольствие во всевозможных превращениях», как когда-то сказал знаменитый английский ученый Исаак Ньютон. И все эти превращения ставят перед нами все тот же вопрос: в чем заключается интимная, внутренняя сторона всех этих явлений, которые мы воспринимаем как холод, как тепло, как пламя, как взрыв и т. д.? Каков закулисный механизм всех этих театральных эффектов, которые мы все время наблюдаем и которые изучает физика и химия? С давних пор люди стремились получить ответ на этот вопрос. И еще перед тем, как наука доросла до того,

27 чтобы суметь ответить на этот вопрос правильно, нетерпеливые философы пытались ответить на него, заменив строгое исследование простой догадкой. Лавуазье и Лаплас проводят опыт с золой В глубокой древности, больше чем 2000 лет тому назад (в пятом столетии до начала нашего летосчисления), греческие философы Демокрит Абдерский и Левкипп высказали замечательную догадку, которой впоследствии было суждено сыграть огромную роль в истории научного понимания мира. Демокрит и Левкипп утверждали, что все вещи в мире состоят из ничтожно малых, невидимых глазу по причине своей малости, частиц. Эти частицы уже не могут быть разрезаны на дальнейшие части, они являются последними и самыми основными частицами всего существующего на свете; поэтому они получили название «атомов» (по-гречески «атомос» значит неделимое – то, что не может быть разрезано или разорвано). Но в том рое атомов, которым является каждое тело окружающего нас мира, мы не видим отдельных атомов, подобно тому как в рое пчел мы издали не видим отдельных пчел: все пчелы сливаются для нас в одну сплошную тучу. Все явления, происходящие на свете, заключаются лишь в том, что атомы движутся в пространстве, образуют друг с другом разные комбинации, затем эти комбинации распадаются, возникают новые и т. д. Мы можем видеть пламя, ощущать холод, тепло, слышать звук и т. д., но все это лишь внешняя видимость вещей, воспринимаемая нашими несовершенными органами чувств, а на самом деле (с той самой внутренней, закулисной стороны, о которой мы говорили раньше) происходит одно только движение атомов, их перемещение в пространстве, разрушение и возникновение все новых и новых построек из того же самого вечного материала – атомов.

28 Демокрит записывает на глиняных табличках теорию строения мира В этом и заключалось учение Левкиппа и Демокрита. Хотя оно было основано на простой догадке и не было подкреплено серьезными доказательствами, тем не менее оно получило широкое распространение уже в глубокой древности. Учение о том, что все тела природы состоят из атомов разной величины и разной формы, было особенно развито Эпикуром (300 лет до начала нашего летосчисления) и Лукрецием (в I веке до начала нашего летосчисления). Не только греко-римская цивилизация создала это учение, но и индийская: современник Лукреция индийский философ Канада учил, что тела состоят из атомов, отличающихся друг от друга различными свойствами. Мельчайшая пылинка солнечного луча, – так учил Канада, – состоит из шести атомов, из которых каждые два «волей бога или еще чем-нибудь» соединены в двойные атомы. Четыре пылинки солнечного луча образуют следующую по сложности частицу, – с восхитительной наглостью продолжает Канада (как будто он мог обо всем этом хоть что-нибудь знать!). Так, смешанная с фантастическими и грубо ошибочными рассуждениями, создавалась атомистическая теория – одна из наиболее глубоких и важных теорий строения вещества.

29 Эпикур В Средние века атомистическая теория имела сравнительно мало сторонников. Но в XVII веке, когда наука стала огромными шагами идти вперед, когда появилась научная механика и начала появляться научная химия, атомистическая теория снова стала распространяться среди физиков и философов. Вот что говорит об атомах Исаак Ньютон (приводим в точном переводе этот отрывок, чрезвычайно характерный для науки XVII столетия): «Мне представляется, что бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры, такую форму и такие другие свойства и создал их в таких относительных количествах, как ему нужно было для той цели, для которой он их сотворил. Эти первичные частицы абсолютно тверды: они неизмеримо более тверды, чем те тела, которые из них состоят, – настолько тверды, что они никогда не изнашиваются и не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам бог создал неразделимым и целым в первый день творения. Именно потому, что сами частицы остаются целыми и неизменными, они могут образовать тела, обладающие той же самой природой и тем же строением во веки веков; ведь если бы частицы изнашивались или разбивались на части, то зависящая от них природа вещей изменилась бы. Вода и земля, составленные из старых изношенных частиц и осколков, отличались бы по строению и свойствам от воды и земли, построенных из еще целых частиц в начале творения. Поэтому, для того чтобы природа могла быть долговечной, все изменения тел природы могут заключаться лишь в перемене расположения, в образовании новых комбинаций и в движении этих вечных частиц. Бог мог создать частицы вещества, обладающие разными размерами и разной формой, поместить их на разных расстояниях друг от друга, наделить их, быть может, разными плотностями и разными действующими силами. Во всем этом я, по крайней мере, не вижу никаких внутренних противоречий. Итак, по-видимому, все тела были построены из вышеупомянутых твердых непроницаемых частиц, которые были в первый день творения размещены в пространстве по указанию божественного разума».

30 Исаак Ньютон В 1661 году англичанин Роберт Бойль опубликовал книгу под заглавием «Скептический химик». В этой книге он дал необыкновенно ясный анализ атомистической теории с точки зрения химии. Атомы, как учил Роберт Бойль, бывают различных сортов; все тела, построенные из атомов одного и того же сорта, являются «простыми телами» (теперь говорят – химическими элементами). Атомы могут, соединяясь друг с другом, образовывать более сложные частицы. Если какое-нибудь тело состоит из одинаковых частиц, каждая из которых есть комбинация нескольких атомов разного сорта, то такое тело, по Бойлю, является «совершенной смесью» (теперь принято говорить – химическим соединением). Всякая «совершенная смесь» может быть разложена на «простые тела», из которых она состоит. Однако скудные химические познания XVII века не дали Бойлю возможности установить, какие из окружающих нас тел являются «совершенными смесями», а какие – «простыми телами». Он даже склонен был допустить, что единственным известным «простым телом» является вода, а что все другие вещества – в том числе железо, медь, золото, серебро, свинец, ртуть – это «совершенные смеси». В этом Бойль заблуждался, и больше столетия понадобилось для того, чтобы выяснить, какие тела являются сложными, т. е. «смесями», а какие – простыми. В 1808 году в Лондоне вышел первый том книги «Новая система химической философии», написанной Джоном Дальтоном, учителем в Манчестере. В этой книге Дальтон, по существу, повторяет взгляды Бойля, но какая огромная разница между книгами Бойля и Дальтона! Не будем забывать, что между выходом этих двух книг прошло 147 лет и что в течение этих лет в химии появился Лавуазье. Уже было известно, что водород, кислород, азот, углерод, сера, фосфор, натрий и калий (открыты Дэви в 1807 году), кальций, стронций, барий и магний (открыты тем же Дэви в 1808 году), железо, цинк, медь, свинец, серебро, платина, золото и ртуть являются простыми телами, а вода, аммиак, углекислый газ и многие другие – сложными. В химии уже употреблялись весы, и целый ряд количественных анализов сложных веществ уже был произведен. Поэтому Джон Дальтон и мог поставить перед собой смелую задачу: определить относительные массы всевозможных атомов. Водород – простое тело, рассуждал Дальтон, значит, водород состоит из атомов одного и того же сорта – атомов водорода. Обозначим атом водорода значком . Кислород – тоже

31 простое тело; значит, кислород состоит из атомов кислорода. Введем для них значок . Вода – это химическое соединение («совершенная смесь», как сказал бы Роберт Бойль); значит, она состоит из каких-то частиц, каждая из которых представляет комбинацию определенного числа водородных атомов с определенным числом кислородных атомов. Такую частицу, состоящую из нескольких сцепленных друг с другом атомов, Джон Дальтон называл «сложным атомом»; в химии теперь предпочитают употреблять слово «молекула», которым и мы будем все время пользоваться. Итак, вода или водяной пар состоит из молекул воды. Каждая молекула воды, как решил Дальтон, руководствуясь при этом «принципом простоты», состоит из двух атомов – атома водорода и атома кислорода. Молекула воды, по Дальтону, имеет вот какой вид: . Отсюда легко заключить, во сколько раз атом кислорода тяжелее, чем атом водорода. Каждый фунт воды – как гласили химические анализы, произведенные самим Дальтоном и другими современными ему химиками, – состоит из 1/8 фунта водорода и из 7/8 фунта кислорода. А так как все молекулы воды совершенно одинаковы, то, значит, и в каждой молекуле воды 1/8 часть ее массы – это масса атома водорода, а остальные 7/8 ее массы – это масса атома кислорода. Отсюда следует, что атом кислорода весит в 7 раз больше атома водорода. Если взять массу атома водорода за единицу, то масса атома кислорода будет равна семи. Таким же образом Дальтон определил и во сколько раз масса атома азота, который он обозначил значком , больше массы атома водорода . Для этого он воспользовался химическим анализом газа аммиака, который является химическим соединением азота и водорода. Руководствуясь тем же самым принципом простоты, Дальтон предположил, что молекула аммиака состоит из одного атома водорода и одного атома азота, т. е. имеет вид . Анализы аммиака показали, что каждый фунт аммиака состоит из 1/6 фунта водорода и 5/6 фунта азота. Применяя такое же самое рассуждение, как раньше, легко заключить, что атом азота должен быть в пять раз тяжелее, чем атом водорода. Если по-прежнему считать массу атома водорода равной единице, то масса атома азота окажется, по Дальтону, равной пяти. Большим испытанием для атомистической теории оказался случай углерода. Углерод образует с кислородом не одно, а целых два различных соединения: в одном из них (окись углерода) на заданное количество углерода приходится сравнительно мало кислорода, а в другом (углекислый газ) – гораздо больше. Поэтому молекулу окиси углерода Дальтон предложил рисовать в виде , где значок обозначает атом углерода, а молекулу углекислого газа, в которой кислорода больше, он предложил рисовать так: . Иными словами, по Дальтону, молекула углекислого газа состоит из трех атомов (двух кислородных и одного углеродного), а молекула окиси углерода – из двух атомов –

32 кислородного и углеродного. Химический анализ углекислого газа показал, что фунт углекислого газа состоит из 5/19 фунта углерода и 14/19 фунта кислорода. Так как такое же самое соотношение должно быть и для массы каждой отдельной молекулы углекислого газа, то, значит, масса атома углерода равна 5/14 частям массы двух атомов кислорода, т. е. она равна 5/7 массы одного кислородного атома. Сохраняя ту же условную единицу (масса атома водорода равна единице массы) и зная, что в этих отношениях масса атома кислорода равна 7, мы найдём, что масса атома углерода должна быть равна 5. До сих пор мы еще нигде не имели повода проверить правильность этих взглядов, сделав из них какой-нибудь вывод, который можно было бы уже затем сравнить с опытом. Но теперь такая возможность представляется: если верно то, что мы говорили о массах атомов углерода и кислорода, то в окиси углерода, молекула которой имеет вид , отношение массы кислорода к массе углерода должно быть 7: 5. Так и оказалось: опыт показал, что из 7 фунтов кислорода и 5 фунтов углерода получается 12 фунтов окиси углерода. Таким образом, взгляды Дальтона получили блестящее количественное подтверждение. Следует, впрочем, сказать, что химические анализы Дальтона были довольно неточны и цифры количественного состава химических соединений, которые были здесь приведены, несколько отличаются от правильных. Тем не менее Дальтон, несмотря на грубость своих анализов, был совершенно убежден в правильности атомистической гипотезы. Таблица химических символов и атомных масс по Дальтону; (1808 г.)

33 Один биограф Дальтона говорит о нем так: «Дальтон был атомист до мозга костей. Он был глубоко убежден в правильности взглядов Ньютона. Для него его атомы – «твердые, непроницаемые, подвижные» – были такой же реальностью, как если бы он видел их собственными глазами и трогал руками. В своем воображении он видел в воздухе атомы кислорода, азота и водяного пара. Он рисовал их на бумаге». Таковы те первичные частицы, те атомы, те «кирпичи мироздания», из которых, по Дальтону, состоят все тела на свете. Комбинация из нескольких атомов образует молекулу («сложный атом», как говорил Дальтон); сложные тела состоят из одинаковых молекул – такие тела являются химическими соединениями, например вода или аммиак, и их состав в процентах может быть легко вычислен, если знать состав молекулы (например, в случае воды, в случае углекислого газа) и относительные массы атомов, входящих в молекулу; или же сложные тела состоят из разных молекул – такие тела являются не химическими соединениями, а смесями, например, воздух представляет смесь молекул кислорода с молекулами азота и с небольшим количеством молекул воды и углекислого газа. Химические реакции, по Дальтону, заключаются в том, что атомы вступают друг с другом в разные комбинации, образуя «сложные атомы» (молекулы), затем эти молекулы распадаются, образуются новые молекулы и т. д., подобно тому, как танцоры, переходя от

34 одного танца к другому, образуют новые комбинации. Но сами атомы при этом остаются неизменными и вечными: меняется только их распределение. «Каждая частица воды, – говорит Дальтон в своей «Химической философии», – в точности похожа на любую другую частицу воды; каждая частица водорода в точности похожа на любую другую частицу водорода и т. д. Химическое разложение и химическое соединение означают лишь то, что атомы удаляются друг от друга или же снова сцепляются вместе. Но химик не способен уничтожить материю или создать ее вновь. Пытаться создать или уничтожить хотя бы один атом водорода так же безнадежно, как пытаться прибавить еще одну планету к Солнечной системе или уничтожить какую-нибудь из существующих планет. Все, что мы можем сделать, – это разъединить атомы, соединившиеся или сцепившиеся друг с другом, или же соединить те атомы, которые сейчас находятся на большом расстоянии друг от друга». «Химическая философия», изложенная в этих строках Дальтона, действительно стала философией целого ряда поколений химиков и физиков. Невозможность создания хотя бы одного нового атома данного химического элемента, невозможность превращения одних атомов в другие – все это было необходимым выводом из всего огромного опытного материала, на котором основывалась научная химия. Когда-то, в Средние века, химики – тогда они назывались алхимиками – поставили своей целью искусственное приготовление золота; но это невозможно, как следует из «химической философии» Джона Дальтона, потому что ведь золото – это химический элемент, и, значит, невозможно ни создать, ни разрушить хотя бы один-единственный атом ; можно лишь извлечь золото из какого-нибудь химического соединения, в котором оно уже находится, но невозможно создать новое золото из свинца или ртути. И в самом деле, разве из всех стараний алхимиков хоть что-нибудь вышло? Получить золото из свинца или ртути им так и не удалось. И «химическая философия» Дальтона раз и навсегда ставила крест над попытками алхимиков: эти попытки были обречены на неудачу, потому что атомы вечны и неразрушимы. В этом пункте Дальтон не совсем сходился с Бойлем, который в 1661 году писал, что хотя атомы остаются неизменными при всех химических явлениях, но тем не менее когда-нибудь будет найден некий «сильный и тонкий агент», с помощью которого удастся разбить атомы на более мелкие части и превратить одни атомы в другие. Эта мысль Бойля казалась Дальтону чистой фантазией: ни один химический факт не указывал на то, что атомы возможно разбивать на части и превращать друг в друга. Впрочем, в 1816 году неожиданно нашелся один сторонник этой мысли Роберта Бойля, пытавшийся подтвердить ее фактами. Это был лондонский вольнопрактикующий врач Уильям Праут, который напечатал в журнале «Философские анналы» («Annals of Philosophy») статью, где обращал особенное внимание на тот факт, что все атомные массы, которые определил Дальтон и которые приведены в его «Химической философии», выражаются целыми числами. Это – очень замечательный факт, говорил Праут, ведь если бы атомы всех химических элементов были первичными, основными частицами, подлинными «кирпичами мироздания», неразложимыми на части и нисколько не связанными друг с другом, то какая могла бы быть причина того, что атом азота ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, а атом кислорода – ровно в семь раз? Праут предложил совсем другой взгляд на атомы, нисколько не противоречащий химическим опытам, но вместе с тем объясняющий и тот замечательный факт, что все атомные массы (измеренные в предположении, что масса атома водорода принята за единицу) оказались целыми числами. Мнение Праута вот какое: атом азота, который, по Дальтону, ровно в пять раз превосходит по массе атом водорода, – это и есть пять атомов водорода, очень тесно сцепленных друг с другом; атом кислорода – это семь атомов водорода, тесно сцепленных друг с другом; атом ртути – это 167 тесно прижавшихся друг к другу водородных атомов и т. д. Выходит, что все на свете состоит в конечном счете из водорода. А чем же объяснить, что все-таки в химических опытах никак не удается, например, разложить кислород на водород? Очень просто, отвечает Праут, все дело в том,

35 что когда семь атомов водорода сцепляются, чтобы образовать атом кислорода, то они сцепляются гораздо теснее, чем тогда, когда, например, атом водорода и атом кислорода сцепляются, чтобы образовать молекулу воды. Поэтому-то в химических опытах и удается разложить молекулу воды на атом водорода и атом кислорода, но никак не удается разложить атом кислорода на семь атомов водорода, т. е. удается разложить воду на водород и кислород, но не удается превратить кислород в водород. Атомы всех веществ, кроме водорода, по мнению Праута, – это такие же молекулы, но только гораздо более прочные и тесно сцепившиеся, а поэтому, действуя обыкновенными химическими способами, не удается их разложить. Но что произойдет, если когда-нибудь будет найден «сильный и тонкий агент», о котором мечтал Роберт Бойль? Ведь с его помощью возможно будет превращать элементы друг в друга и даже, если угодно, осуществить идеал алхимии – получение золота: например (см. таблицу Дальтона), разбить атом на один атом и двадцать семь атомов , т. е. разложить ртуть на золото и водород. Статья Праута была очень убедительна, – многие поверили в то, что водород есть действительно «первичное вещество», из которого состоит все на свете. Одна только была беда – те химические анализы, основываясь на которых Дальтон вычислил свои атомные массы, были очень уж неточны: Дальтон был, правду сказать, плохой экспериментатор. Если провести анализы тщательнее и вычислить атомные массы точнее, то окажутся ли они по-прежнему целыми числами? За грандиозную работу точного определения атомных масс и точного анализа состава химических соединений взялся знаменитый шведский химик Йенс Якоб Берцелиус. Берцелиусу, больше чем кому-нибудь другому, химия обязана тем, что она стала точной наукой. Берцелиус был убежденнейшим сторонником атомистической теории Дальтона, которую он называл «одним из величайших успехов химии». Но в других отношениях он многого не мог простить Дальтону. «Следует упрекнуть Дальтона в том, – писал Берцелиус, – что он чересчур доверял своей собственной гипотезе и мало подвергал ее экспериментальной проверке. Можно подумать, что даже в тех немногочисленных химических анализах, которые производил Дальтон, он руководствовался желанием получить определенный результат, а ведь такого способа действий всегда нужно остерегаться, особенно если цель опытов – получить решающее доказательство в пользу или против какого-нибудь предвзятого теоретического мнения». И Берцелиус вооружился самой точной химической аппаратурой, какую только он мог достать или построить, и принялся за свои анализы. В течение своей жизни Берцелиус проанализировал больше двух тысяч различных химических соединений, и результаты его анализов отличаются от самых точных теперешних результатов не больше чем на 1–2 % (попутно Берцелиус открыл и несколько химических элементов, до него неизвестных: селен, кремний, циркон, торий, тантал). Вычисляя атомные массы, Берцелиус никогда не определял состав молекулы анализируемого вещества наугад, как это делал Дальтон, предположивший «для простоты», что молекула воды имеет состав , а молекула аммиака – состав (т. е. что каждая из этих молекул состоит из двух атомов). Берцелиус стремился определить состав молекулы так, чтобы удовлетворительно объяснить возможно большее число химических фактов. Таким образом Берцелиус обнаружил, например, что молекула воды состоит не из двух атомов, а из трех – одного кислородного и двух водородных, что молекула аммиака состоит из четырех атомов – одного азотного и трех водородных, и т. д. Все это привело к тому, что хотя работы Берцелиуса и дали блестящее подтверждение основных идей Дальтона, но полученные Дальтоном конкретные цифры – атомные массы – оказались сплошь неверны. Берцелиус опубликовал свои атомные массы два раза. Один раз в 1818 году он выпустил

36 таблицу атомных масс, основанную на химических анализах, которые прекордяли рекорд возможной тогда в химии точности (но все же в атомных массах, выведенных из этих анализов, еще было очень много ошибок вследствие неверных формул состава молекул). В 1826 году Берцелиус опубликовал новую таблицу, в которой он побил свои собственные рекорды точности. Атомные массы, которые были помещены в этой таблице, в громадном большинстве случаев очень близки к тем, которые приняты в химии и теперь. Небольшую путаницу, которая еще оставалась у Берцелиуса, устранил в 1860 году итальянский химик Станислав Канниццаро; собравшийся 3 сентября 1860 года в Карлсруэ Международный конгресс химиков принял систему относительных атомных масс, предложенную Канниццаро, и этот момент принято считать началом современной химии. Мы приведем таблицу химических элементов и их атомных масс, принятую в настоящее время. Заметим только, что теперь в качестве единицы атомной массы уже больше не принимают массу атома водорода, как предлагал в свое время Дальтон. Сейчас атомная единица массы (а.е.м.) выбрана так, чтобы масса атома самого распространенного изотопа углерода была в точности равна 12 а.е.м. Масса атома водорода оказалась при этом чуть больше 1 а.е.м. В таблицах обычно указывают относительную атомную массу химического элемента – отношение массы атома элемента к атомной единице массы. Эта система единиц принята и в той таблице, которую мы приводим. Что касается указанных там же значков (символов) химических элементов, то они уже нисколько не похожи на кружки Дальтона. Берцелиус предложил – и это было принято огромным большинством химиков, а потом и всеми без исключения – применять в качестве значка химического элемента начальную букву или две буквы его латинского названия (например, водород обозначать буквой Н от латинского Hydrogenium, азот – буквой N от латинского Nitrogenium, железо – значком Fe от Ferrum, медь – Cu – от Cuprum, углерод – С от Carbo и т. д.). Когда нужно обозначить молекулу, то, если в ней есть несколько атомов одного и того же химического элемента, обозначение этого атома не повторяется, как это делал Дальтон, изображавший, молекулу углекислого газа в виде , а просто внизу приписывается цифра, указывающая число атомов; например, та же молекула углекислого газа, состав которой Дальтон случайно угадал правильно, пишется в виде СO2 (С – углерод, О – кислород), молекула воды записывается Н2O, молекула аммиака – NH3 и т. д. Упрямый Дальтон до конца жизни (он умер в 1844 году) не хотел принять обозначений Берцелиуса (как из того же упрямства он не хотел принять и его точных атомных масс, предпочитая свои, неточные). Ворча, он говорил, что легче изучить древнееврейский язык, чем понять что-нибудь в химических формулах Берцелиуса. Но мы можем наглядно убедиться в удобстве обозначений Берцелиуса на примере молекулы тростникового сахара, которая по системе Берцелиуса записывается формулой С12Н22О11 (12 атомов углерода, 22 атома водорода, 11 атомов кислорода); по Дальтону же пришлось бы нарисовать сорок пять кружков, двенадцать из них зачернить, а в двадцати двух поставить в середине точку. Обозначения Берцелиуса позволяют также легко записать в виде формулы и то, что происходит при химической реакции: это записывают обыкновенно в виде равенства, где слева стоит все, что было до реакции, а справа – все, что стало после реакции. Например, горение водорода в кислороде, дающее в результате воду, пишется в виде уравнения 2H2 + O2 = 2H2O (две молекулы водорода и одна молекула кислорода дают две молекулы воды; заметим по поводу этой формулы, что обыкновенный водород состоит из молекул, содержащих каждая по два водородных атома, и подобным же образом кислород состоит из молекул, каждая из

37 которых составлена из двух атомов кислорода). Горение черного пороха может быть представлено формулой 2KNO3 + S + ЗС = K2S + N2 + ЗСО2 (две молекулы калийной селитры, атом серы, три атома углерода, соединяясь, дают молекулу сернистого калия, молекулу азота и три молекулы углекислого газа). Еще удобнее было бы (хотя, впрочем, это мало принято у химиков) вместо знака = писать стрелку →, отчетливее указывающую направление химического превращения; обе реакции, которые в виде примера были только что написаны, при этом приняли бы вид 2Н2 + O2 → 2Н2O, 2KNO3 + S + ЗС → К2S + N2 + 3CO2. После всех этих предварительных разговоров и объяснений приводим таблицу ныне известных химических элементов и их атомных масс. Не преувеличивая, можно сказать, что эта небольшая таблица, помещающаяся на одной-двух страницах, представляет концентрированный результат упорнейшего труда многих поколений химиков, со времен Берцелиуса и до наших дней. (Порядок, в котором в этой таблице расположены элементы, выбран не случайно: элементы расположены в порядке растущей атомной массы.) Спросим себя, что же стало с гипотезой Праута, которая была основана на том, что атомные массы элементов – точные целые числа? Осталось ли что-нибудь от этой гипотезы? Увы, не только весьма точные современные числа не подтверждают мнения Праута о целочисленности атомных масс, но даже и первые измерения Берцелиуса показали, что не все атомные массы являются целыми числами. Таблица химических элементов, их символов и атомных масс.

38

39 Примером может служить хлор, атомная масса которого равна 35,453 (в таблице Берцелиуса, составленной в 1826 году, атомная масса хлора 35,4). Поэтому гипотеза Праута в том виде, в каком он ее сформулировал, безусловно должна быть отброшена.

40 Заметим все же, просматривая нашу таблицу, что очень многие атомные массы, особенно в начале таблицы, весьма близки к целым числам, иногда в точности им равны, например, у фтора и углерода, а иногда отличаются от них меньше чем на 0,01, например, у водорода, гелия, азота, натрия и т. д. Это странное обстоятельство заставляет как будто отнестись с некоторым вниманием к гипотезе Праута, так как трудно себе представить, чтобы это могло быть результатом чистого случая, но тем не менее такие атомные массы, как у магния или хлора, не говоря уже о многочисленных элементах с большими атомными массами, все-таки принуждают отбросить предположение о том, что все атомы состоят из атомов водорода. Поэтому в XIX столетии совершенно укрепилось и распространилось представление о том, что все тела в мире состоят из этих нескольких десятков сортов атомов, которые являются совершенно независимыми друг от друга основными элементами мироздания. Атомы вечны и неразрушимы и не могут превращаться друг в друга. «Даже когда Солнечная система распадется и на ее развалинах возникнут другие миры, атомы, из которых она состоит, останутся целыми и неизношенными», – так сказал в 1873 году в одной речи знаменитый английский физик Джеймс Клерк Максвелл, основатель современной теории электрического и магнитного полей. Из этой цитаты видно, как нераздельно властвовали в физике идеи Дальтона даже через несколько десятилетий после появления его «Химической философии». И все же, несмотря на все это, среди физиков и химиков продолжало жить смутное убеждение в том, что между атомами различных химических элементов имеются какие-то связи, что эти атомы образуют какую-то естественную систему. Удивительно, что эта мысль была отчетливо сформулирована еще задолго до того, как стало известно, какие именно химические элементы существуют в природе. В 1786 году немец Н. Г. Марне напечатал книгу, озаглавленную «О числе элементов». В этой книге, мистической и странной, он выражает свое глубокое убеждение в том, что «от мельчайшей пылинки солнечного луча до святейшего серафима можно воздвигнуть целую лестницу творений» и что атомы химических элементов тоже являются ступенями этой лестницы. Марне продолжает: «Подобно тому, как каждый отдельный тон созвучен тому же тону октавой выше или ниже вследствие связи между числом колебаний струн, так же и определенные химические элементы («основные вещества», как называет их Марне) могут по тем же причинам стоять в самом близком родстве друг с другом, несмотря на то, что в их естественной последовательности между ними находятся многие вещества: с этими веществами они так же не могут соединиться, как два тона не могут приятно звучать вместе, несмотря на свою близость, если они находятся в отношении секунды». Джеймс Клерк Максвелл

41 Эта идея Марне не могла привести ни к каким последствиям, пока химические элементы не были в достаточной мере выделены и изучены. Но после того, как Канниццаро опубликовал (в 1858 году) свою таблицу атомных масс, стремление к естественной классификации химических элементов должно было принести свои плоды. В 1863 году англичанин Дж. А. Ньюлендс, воспользовавшись атомными массами Канниццаро, нашел, что если расположить элементы в порядке возрастания их атомных масс, то такой список элементов естественно разлагается на октавы, то есть на строчки по семь элементов в каждой, где каждый элемент обладает большим сходством с одинаковым по номеру элементом предыдущей и последующей октав. Приведем первые три октавы Ньюлендса: Н, Li, Be, В, С, N, О; F, Na, Mg, Al, Si, Р, S; Сl, К, Са, Сr, Ti, Mn, Fe. Аналогия проявляется в том, что все элементы, стоящие на втором месте в своей октаве (литий, натрий, калий), являются так называемыми щелочными металлами, образующими соединения по одному и тому же типу, например дающими соли LiCl, NaCl, КСl; элементы, стоящие на третьем месте в октаве (бериллий, магний, кальций), являются так называемыми щелочноземельными металлами, дающими тоже похожие друг на друга, но уже иного типа соединения, например соли ВеС12, MgCl2, СаСl2. Фтор весьма похож по своей химической природе на стоящий под ним хлор, азот обнаруживает некоторые аналогии с фосфором, кислород – с серой и так далее. Заметим, впрочем, что все получается так хорошо и убедительно лишь в первых октавах Ньюлендса: в дальнейших октавах было гораздо больше путаницы, и в некоторых случаях для ее устранения Ньюлендс позволил себе отступить от принятого им плана и располагать элементы не совсем в порядке возрастания атомной массы. Так или иначе, эта предложенная Ньюлендсом классификация, являвшаяся конкретным воплощением старой идеи Марне, не имела никакого успеха среди химиков. Когда Ньюлендс попробовал рассказать о своей классификации химических элементов съезду английских естествоиспытателей, его почти не хотели слушать, и председатель химической секции съезда насмешливо спросил Ньюлендса, – а не пробовал ли он располагать химические элементы в порядке алфавита и не получалось ли и при этом каких-нибудь закономерностей. Через несколько лет после этой попытки Ньюлендса она была повторена двумя другими учеными, работавшими над вопросом естественной классификации элементов совершенно независимо друг от друга. Одним из них был Юлиус Лотар Мейер, профессор университета в Бреслау (ныне Вроцлав в ПНР), другим – Дмитрий Иванович Менделеев, профессор университета в Санкт-Петербурге. И Мейер, и Менделеев сообразили, что могут существовать и элементы, еще не открытые химиками, а поэтому, если этого требует классификация, можно оставлять в таблице пропуски, соответствующие еще не открытым элементам. Периодическая таблица элементов, опубликованная в 1869 г. Д. И. Менделеевым.

42 Кроме того, они сочли схему Ньюлендса с ее одинаковыми строчками чрезмерно узкой и допустили, что строчки (периоды) могут становиться длиннее к концу таблицы. Мы приводим «периодическую таблицу элементов», которую опубликовал Д. И. Менделеев в 1869 году в немецком журнале «Zeitschrift fur Chemie» (таблица приводится в несколько измененном виде, но так, что все идеи Менделеева, содержащиеся в его статье, переданы правильно). В этой таблице курсивом даны те элементы, которые были поставлены Менделеевым неправильно вследствие познания их атомных масс или по другим причинам (в 1870 году Менделеев исправил большую часть этих ошибок). Уже в четвертой строке таблицы классификация потребовала оставления пустых мест. На этих пустых местах должны находиться какие-то еще не открытые элементы, а именно должен быть один элемент между кальцием и эрбием (впрочем, эрбий здесь поставлен по ошибке, и уже в 1870 году Менделеев правильно поставил вместо эрбия титан) и два элемента между цинком и мышьяком. Этим элементам Менделеев дал следующие названия: элементу, который должен стоять после

43 кальция, он дал имя экабор, а двум элементам, которые должны идти за цинком, – имена экаалюминий и экакремний (экабор, как видно из таблицы, должен быть аналогичен бору, а экаалюминий и экакремний – алюминию и кремнию). Менделеев был настолько убежден в своей классификации, что имел смелость заранее описать свойства этих трех элементов, прежде чем их откроют. Чтобы предсказать свойства, например, экакремния, он сообразил, что экакремний по своим свойствам должен быть чем-то средним между цинком и мышьяком (но заметно ближе к мышьяку) и что, с другой стороны, он должен иметь много сходства с кремнием и с элементом под ним, то есть с оловом, будучи чем-то средним между кремнием и оловом. (Все это читатель легко поймет, пользуясь приведенной таблицей.) И что же? Предсказания Менделеева блестящим образом сбылись. Летом 1875 года французский химик Лекок де Буабодран, исследуя найденный в Пиренейских горах кусок руды (цинковой обманки), обнаружил в этой руде новый химический элемент, который по своим свойствам был совершенно таким же, как предсказанный Менделеевым экаалюминий. Найденному им элементу Лекок де Буабодран дал название галлий (от латинского слова Галлия, что значит Франция). В 1879 году шведские химики Нильсон и Клеве нашли в одном редком норвежском минерале эвксените предсказанный Менделеевым экабор и назвали его скандием (по-латыни Скандия значит Швеция). И наконец, в 1885 году немецкий химик К. Винклер, исследуя только что открытый в фрейбургских рудниках в Саксонии минерал аргиродит, нашел в нем предсказанный Менделеевым экакремний. Продолжая тот же ряд патриотических названий, Винклер назвал экакремний германием. Чтобы убедиться, насколько точны были предсказания Менделеева, сравним свойства экакремния и германия: Свойства экакремния (обозначался Es), предсказанные Менделеевым в 1871 г. • Экакремний – серый металл, плавится с трудом, атомная масса – 72. • Плотность экакремния должна быть 5,5 г/см 3. • Окись экакремния должна иметь формулу EsO2 и плотность 4,7 г/см3. Под действием водорода из нее должен выделяться экакремний. • Хлористый экакремний EsCU должен иметь плотность 1,9 г/см 3 и кипеть при 90 °C. • Фтористый экакремний EsF4 не летуч. • Сернистый экакремний EsS2 должен растворяться в сернистом аммонии. • Экакремний этил Es(C2H5)4 должен иметь плотность 0,96 г/см3 и кипеть при 160 °C. Свойства германия (обозначается Ge), изученные К. Винклером в 1886 г. • Германий – серый, трудно возгоняющийся металл, атомная масса – 72,6. • Плотность германия 5,409 г/см3. • Плотность окиси германия GeO2 4,703 г/см3. Под действием водорода из нее выделяется германий. • Хлористый германий GeCl4 имеет плотность 1,887 г/см 3 и кипит при 86 °C. • Фтористый германий GeF4-3Н2O – твердое белое вещество.

44 • Сернистый германий GeS2 растворяется в сернистом аммонии. • Германий этил Ge (С2Н5)4 имеет плотность 0,991 г/см 3 и кипит при 160 °C. Пожалуй, можно сказать, что Менделеев предвидел в этом элементе все, кроме его названия. После такой блестящей победы никто уже не мог сомневаться в том, что «периодический закон» Менделеева действительно выражает какое-то весьма глубокое свойство химических элементов и что атомы химических элементов могут быть расположены в какой-то «системе родства». Но что означает это родство химических элементов, эти связи между разными атомами, не имеющими, казалось бы, ничего общего друг с другом, – этого в те времена еще никто – в том числе и сам Дмитрий Иванович Менделеев – не сумел бы сказать. Периодический закон Менделеева, как выразился один историк химии, «среди многочисленных зданий научных теорий, воздвигнутых в XIX веке, был похож на обелиск, покрытый непонятными письменами; расшифровать эти письмена – вот великая задача, которую девятнадцатый век оставил в наследство двадцатому». Приведем еще периодическую таблицу элементов в том виде, который она имела в тридцатых годах. Заметим, что предсказания свойств новых элементов на основании периодического закона неоднократно делались и впоследствии; так, например, Уильям Рамзай, после открытия (им и Джоном Уильямом Рэлеем) аргона и гелия, предсказал существование неона, криптона, ксенона, которые он потом и открыл вместе с Траверсом в 1898 году. Нет ничего невозможного в том, что в природе существуют и элементы, обладающие большей атомной массой, чем уран. Периодическая таблица элементов Менделеева (первая половина 30-х гг. XX века).

45 Эти элементы, если они существуют, должны были бы в нашей таблице попасть на места, идущие после урана. Но до сих пор эти элементы еще не были обнаружены в природе. Таково, в общих чертах, учение об атомах химических элементов, созданное Дальтоном и определившее все дальнейшее развитие химии в XIX столетии. Но если гипотеза об атомах и молекулах оказалась такой важной и такой полезной для химии, то какую роль она сыграла в физике, занимающейся гораздо более широкой областью явлений природы, чем химия? Следует заметить, что в физике гипотеза атомов существовала и играла очень большую роль задолго до той поры, когда Дальтон сделал учение об атомах и молекулах необходимым для того, чтобы хоть что-нибудь понимать в химических явлениях. Ведь мы уже говорили о том, как и к теории атомов относился такой гениальный и авторитетный физик, как Исаак Ньютон. Представление об атомах служило физикам для того, чтобы составить ясное понятие о целом ряде физических явлений. Мы нагреваем тело – это тело расширяется. С точки зрения атомной гипотезы это значит, что атомы несколько отошли друг от друга – пустые промежутки между ними увеличились. Как можно было бы наглядно представить себе такое простое явление, как расширение тел при нагревании, если считать вещество не состоящим из атомов, а непрерывным и сплошным? Все газы обладают гораздо меньшей плотностью, чем жидкости и твердые тела, – это значит, что атомы (или молекулы) газов находятся на очень больших расстояниях друг от друга; поэтому-то так легко сжать газ, то

46 есть уменьшить пустые промежутки между его атомами или молекулами. Сжать сколько-нибудь заметно жидкость или твердое тело очень трудно, а уменьшить посредством сжатия объем жидкого или твердого тела в несколько раз вовсе невозможно. Что это значит? Это значит, что в жидких и твердых телах между атомами почти нет пустых промежутков; атомы почти соприкасаются друг с другом, как дробинки в мешочке с дробью, если его хорошенько встряхнуть. Всякий газ давит изнутри на поверхность стенок того сосуда, в котором этот газ заключен. Как это понять? Очень просто: стоит только предположить, что атомы (или молекулы) газа не находятся в покое, а, напротив, все время очень быстро движутся. Если это так, то они должны все время наталкиваться на стенки сосуда и отскакивать от них, как отскакивают бильярдные шары от борта бильярда; стенки сосуда, в котором заперт газ, должны все время испытывать изнутри целый град толчков, целую бомбардировку со стороны молекул газа. Если увеличить объем сосуда, отодвинув в нем крышку или поршень, или если открыть перед молекулами газа дверь, ведущую в соседнее пустое пространство, то быстро движущиеся молекулы сейчас же начнут проникать в предоставленный им новый объем, пока весь сосуд не заполнится газом равномерно и целиком. Вот почему всякий газ всегда стремится расшириться и заполнить весь предоставленный ему объем. Легко понять, что будет, если сжать газ, находящийся в каком-нибудь сосуде с поршнем: молекулы газа, занимавшие раньше большой объем, теперь вынуждены будут сконцентрироваться в меньшем объеме, а поэтому на каждый квадратный сантиметр поверхности стенки будет приходиться в течение секунды больше ударов молекул, то есть молекулярная бомбардировка на каждый квадратный сантиметр стенки возрастает. Давление газа, запертого в сосуде, увеличивается при уменьшении объема этого сосуда. Если нагреть газ, запертый в сосуде, не изменяя его объема, то давление газа, как показывают опыты, возрастает. Так как число атомов и молекул осталось тем же самым, то для того, чтобы понять, почему молекулярная бомбардировка увеличилась, необходимо допустить, что при повышении температуры молекулы и атомы начинают двигаться быстрее: вследствие увеличившейся скорости их движения возрастет и число ударов в секунду о стенку (ведь при возросшей скорости каждая молекула успевает в течение секунды большее число раз слетать от одной стенки сосуда до другой и обратно) и, кроме того, возрастет и сила каждого отдельного удара. Это допущение о том, что при повышении температуры скорость движения атомов и молекул растет, должно относиться не только к газам, но и к

47 жидкостям, и к твердым телам: без этого невозможно понять, каким образом при нагревании происходит испарение. В самом деле, как должны мы наглядно представлять себе твердые тела и жидкости? Жидкости очень подвижны и текучи; это значит, что атомы и молекулы жидкостей, все время тесно соприкасаясь друг с другом, вместе с тем легко и быстро скользят, перемещаясь по всему объему жидкости (иногда бывает, что молекула какой-нибудь жидкости так же легко и просто может перемещаться среди молекул другой жидкости; вот почему так быстро происходит, например, перемешивание воды и спирта, если спирт налит поверх воды в какой-нибудь сосуд). Твердые тела, наоборот, имеют некоторую упругость, то есть стремятся все время сохранить свою форму; поэтому приходится заключить, что атомы твердых тел всегда находятся в каких-то определенных положениях равновесия и могут только совершать около этих положений более или менее быстрые колебания. Быстрота движений, совершаемых молекулами и атомами жидких и твердых тел, должна, как и в газах, возрастать при увеличении температуры. Этим объясняется испарение при нагревании, так как более быстро движущиеся молекулы жидкости могут преодолеть притяжение со стороны окружающих молекул той же жидкости и выскочить из жидкости наружу. Пар, насыщающий пространство над поверхностью данной жидкости, – это и есть тот газ, который состоит из таких «сбежавших из жидкости» молекул. Из жидкости выскакивают, правда, все новые и новые молекулы, но молекулы пара, падающие на жидкость, проникают туда вновь, и поэтому в конце концов устанавливается равновесие между жидкостью и ее паром, когда в каждую секунду столько же молекул выскакивает из жидкости («испаряется»), сколько их падает в жидкость обратно.

48 Из всего сказанного видно, какие простые и ясные представления вносит гипотеза атомов и молекул в физику. Основным в этой атомно-молекулярной картине газов, жидкостей и твердых тел является представление о том, что с возрастанием температуры растет и скорость движения атомов. Это представление сыграло очень большую роль в истории атомистического учения.

49 До XIX столетия среди физиков господствовало мнение, что теплота есть какое-то невесомое вещество – «теплород», – которое может соединяться с обычными веществами. Нагретое тело, согласно этой точке зрения, – это такое, в котором много теплорода; при охлаждении тела теплород из него уходит. Это широко распространенное представление о вещественности тепла было опровергнуто, как только физики стали изучать связь между теплотой и движением. Наличие этой связи очевидно: при трении, которым сопровождается движение, возникает тепло, – этим издавна пользовались для добывания огня народы, стоящие на низких ступенях культуры, – с другой же стороны, теплота, выделяющаяся при сжигании угля в топке парового котла, является основной причиной возникающего в паровой машине движения поршня в цилиндре, махового колеса, шатуна и так далее. В 1798 году некий Бенджамин Томпсон, американец, авантюрист, прежде сражавшийся на стороне Англии во время войны за независимость Соединенных Штатов, а затем поступивший на службу к баварскому королю, от которого он получил титул графа Румфорда, наблюдал в мюнхенском арсенале сверление пушечных жерл. Сверление сопровождалось выделением очень большого количества тепла. Когда Румфорд погружал просверливаемую металлическую болванку вместе с работающим в ней сверлом в воду, то вода через два с половиной часа начинала кипеть. Пораженный этим огромным выделением тепла, Румфорд подробно исследовал все условия, при которых тепло возникает. Оказалось, что если просверлить в болванке жерло острым сверлом, а затем заменить его тупым сверлом, которое уже не может отделять от металла стружки, но все же поворачивается с большим трением, то дальнейшее вращение сверла позволяет извлечь из болванки любое количество тепла – стоит только вращать сверло достаточно долго. Это было несовместимо с представлением о вещественности тепла: если бы теплота была веществом («теплородом»), то из данной болванки нельзя было бы извлечь больше тепла, чем в ней в действительности содержалось. Поэтому Румфорд решил, что теплота не вещество, а движение. Теплота – это движение невидимых глазу атомов, из которых состоит любое вещество. Нагреть какое-нибудь тело – это значит привести его атомы в более быстрое движение, чем то, в котором они находились раньше. Охладить тело – значит замедлить движение атомов. Так возникла механическая теория тепла (термодинамика), получившая свое окончательное обоснование уже только в последней четверти XIX века – в работах Людвига Больцмана и Уилларда Гиббса, которые доказали, что все законы тепловых явлений могут быть выведены теоретически, если применять теоремы механики к движению невидимых глазу атомов. Это

50 был такой же триумф атомистической теории, как и тот, который ей доставили работы Дальтона в химии: не только химические, но и физические явления легко объяснялись с помощью предположения, что все тела состоят из мельчайших, невидимых глазу атомов. И все же атомистической теории в это время (к концу XIX столетия) еще не хватало многого. Представление об атомах все еще не было достаточно конкретным. Пусть мы знаем, что существуют такие-то и такие-то атомы – атомы кислорода, железа, фосфора, серы и так далее, – но много ли мы знаем о самих этих атомах? Мы можем только сравнивать их друг с другом, можем говорить, что масса атома кислорода в 16 раз больше массы атома водорода, а масса атома серы в два раза превышает массу атома кислорода, но о каждом из этих атомов в отдельности мы ничего не можем сказать. Мы не можем сказать, какова масса атома водорода и каковы его размеры; мы знаем, что капелька воды состоит из молекул Н2O, но не можем сказать, из скольких молекул… И постепенно у многих начинало складываться впечатление, что этого мы так-таки никогда и не узнаем и что ничего, кроме отношений химических элементов друг к другу, в природе нет, а те атомы – атомы водорода, кислорода, азота, которые Дальтон так ясно представлял себе и рисовал на бумаге в виде кружочков, – те атомы являются чистейшей фантазией – мы никогда не сумеем их взвесить, измерить и понять их настоящие свойства. Жесточайшим нападкам подвергалась атомистическая теория со стороны многих философов. Артур Шопенгауэр утверждал в своем сочинении «Мир как воля и представление», что химические атомы Берцелиуса являются лишь формой выражения тех относительных количеств, в которых вещества вступают друг с другом в химические соединения; поэтому следует считать атомы, по существу, лишь арифметическими понятиями, лишь «расчетными единицами» (Rechenpfennige). В другом сочинении – «О философии естествознания» – он бранит химиков, называя их «невежественными аптекарями, занимающими профессорские кафедры», и говорит, что они «с таким детским самомнением и с такой уверенностью толкуют об эфире и его колебаниях, об атомах и о прочих глупостях, как если бы они все это видели и трогали руками». В конце XIX столетия возникла целая школа физиков и философов, которая осуждала все попытки атомистической теории проникнуть во внутренний механизм явлений: эти философы признавали достойным изучения только непосредственное ощущение предметов внешнего мира и отвергали всякие стремления объяснять их наблюдаемые свойства (их цвет, твердость, температуру и т. п.) при помощи атомов, которые настолько малы, что наши органы чувств не могут их наблюдать непосредственно. (Уничтожающую критику учений этой философской школы можно найти в книге В. И. Ленина «Материализм и эмпириокритицизм».) Выдающиеся представители этой школы (Мах, Дюгем, Оствальд) выставляли против теории атомов те же самые возражения, какие в свое время выставил Шопенгауэр. Все они единодушно сходились в том, что «атомистической теории следовало бы уже давно истлеть в пыли библиотек», как выразился Вильгельм Оствальд в своих лекциях по философии природы, которые он читал в Лейпцигском университете летом 1901 года.